水泥深層攪拌粉噴樁在穿堤涵洞施工中的應用

張剛 滕逖

水泥深層攪拌粉噴樁在穿堤涵洞施工中的應用

張剛 滕逖

一、工程概況

景山涵洞拆除重建項目是江蘇省徐州市小沿河水源地保護工程的重要實施內容，原涵洞位于景山以西微山湖南堤上，為1孔2m×3m涵洞，建于二十世紀六七十年代，主要功能為內華梁山等地引小沿河水灌溉，微山湖水位高時，關閉閘門，防止微山湖水倒灌。因現狀損壞嚴重，閘門為混凝土閘門，啟閉機老化，須拆除重建。工程建成后，景山涵洞在原有功能基礎上可作為小沿河防污應急通道，在小沿河東岸水質不達標時，東側污水沿運糧河通過涵洞排入藺家壩閘下，從而有效保護向徐州市區供水的小沿河水源地水質不受污染。新建涵洞為1孔3m×3m鋼筋混凝土箱涵，長35m，采用水泥深層攪拌粉噴樁進行基礎加固處理。

二、水泥深層攪拌粉噴樁加固地基原理

在軟土地基中加入改良材料水泥粉，與原樁位的土用攪拌機進行強制性的攪拌混合，使原樁位的土與水泥粉進行化學反應，從而形成一個由水泥、軟土混合成的圓柱狀凝固體，同時將柱間的土擠密，使得地基得到加固。

1.水泥的水解和水化反應

普通P.O42.5水泥的主要成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3，約占95%以上。用水泥加固地基時，水泥顆粒表面的礦產物（Ca3SiO4、C2S、C3A、C4AF等）很快與土中水分發生水解和水化反應。

C3A反應速度較快，促進早凝；C3S和C4AF水化反應也較快，早期強度較高；C2S水化反應較慢，對后期強度增長的抗水性能較好。另外，水泥粉在地基土中的水化反應放出的大量熱能使水泥土吸收水分的能力更強。

2.水泥的凝結與硬化

水泥的水化反應開始處在堿性的Ca（OH）2、CaSiO3等環境中，Ca2+使土中的SiO2、Al2O3發生化學反應，并逐漸生成不溶于水的穩定Ca（AlO2）2、CaSiO3及鈣黃長石的結晶水化物。這些化合物在水中逐漸硬化，增大了水泥土的強度，而且由于其結構比較緊密，水分不易侵入，從而使水泥土具有足夠的水穩定性。地基土一般表現出膠體特征，土中的SiO2遇水形成硅酸膠體微粒，表面的Na+當量吸附交換，使得土粒表面吸附的Ca2+所形成的擴散層減弱，大量的土粒形成較大團粒，這種堅固的聯結使水泥土的強度大大提高。

3.碳酸反應

水泥水化物中游離的Ca（OH）2能吸收水中的CO2，生成CaCO3，這種反應亦能使水泥土的強度增加。

三、施工流程

樁機就位使樁架保持雙向垂直→鉆孔至樁底→噴粉提鉆至樁頂→下鉆復攪→提鉆至地面→鉆機移位至新樁位。

四、施工操作要點

1.放軸線樁

依據設計院提供的建筑物總圖和布樁平面圖，用經緯儀放出軸線，記錄放線資料，認真做好原始資料記錄整理工作，樁位編號要按設計圖上的樁位編號，以免發生差錯。每樁打樁前后，都要核對樁位，以防錯打、漏打。

2.樁機就位

根據設計確定加固機體的位置，使攪拌軸保持垂直，校準機身水平，使鉆尖對準樁位。

3.鉆機攪拌

啟動攪拌鉆機，鉆頭邊旋轉邊鉆進，同時開動空氣壓縮機沿高壓膠管、鉆桿高壓送氣（即送強氣流風），以防止鉆頭噴粉口堵塞并冷卻鉆頭。

當水泥粉篩過后裝入灰罐，通過空壓機將水泥灰霧化，從小罐壓入大罐后將大罐充氣，壓力保持在3～4kPa。當鉆機鉆進至設計標高時停止鉆進，反轉慢慢提升，同時開動送灰機，將大罐內灰送到管內，然后用高壓氣流（空壓機）通過高壓管、鉆桿、帶有噴射嘴的鉆頭把水泥干粉噴出，送入土體。在攪拌過程中，鉆頭葉片反轉時，將已攪松的土壓實，當鉆頭提升至離地面0.3～0.5m時，停止送灰正轉，3m內復攪、復噴，再反轉勻速將鉆頭提升、壓實，直至提出地面成樁結束。

施工中如發現噴粉量不足，須實行整樁復打，并不小于設計用量。如遇停電、機械事故等原因導致噴粉中斷必須復打，復打重疊孔段長度不小于1m。

五、施工檢測

依據現行施工規范要求，檢測方案布置如下：（1）評價樁身質量及樁體強度是否滿足工程要求。選取6根樣樁，通長鉆取芯樣，所取芯樣室內做無側限抗壓強度試驗。（2）在試樁中做3組單樁靜載荷試驗，然后計算工程單樁承載力，最后推算復合地基承載力。

1.單樁靜載試驗

單樁靜載試驗參照《建筑樁基技術規范》（JGJ4294）的有關規定進行。反力裝置采用平臺堆載法，配重280kN，加荷系統采用液壓千斤頂加荷，同時在樁頂面的正交兩個直徑方向安裝4個百分表，通過基準梁側讀出樁的沉降值，以4個百分表平均值作為樁下沉降量的實測值。

加荷方式采用慢速維持載荷法，按24kN為一級，分級加荷，直至加到最大荷重240kN，每級加荷后間隔5min、10min、15min各測讀一次，以后每隔15min測試一次，累計1h后每隔30min測讀一次，每1h沉降不超過0.1mm，連續出現兩次即可認為已達到相對穩定，可加下一級荷載。

卸載時，每級卸載為加載值的2倍，每級卸載后隔15min測讀一次殘余沉降，讀兩次后，隔30min再讀一次，即可卸下一級荷載。全卸載后，隔3～4h再讀一次。

2.樁頭取芯無側限抗壓強度試驗

現場隨機抽取樣樁6根，在開挖至有效樁頂標高處鉆取樁體芯樣，觀察樁體情況，并留高10cm、直徑10cm試件，做現齡期無側限抗壓強度試驗。

六、結語

（1）采用水泥深層攪拌粉噴樁加固地基，機械化程度高，施工速度快，可使用幾臺設備同時作業，縮短了施工工期。

（2）采用水泥深層攪拌粉噴樁加固地基，基于水泥土的一系列物理化學反應，改變了原狀土的結構，使土顆粒重新排列，重新固結成水泥土，硬結成具有整體性、水穩性和強度較高的水泥土拌合柱體，從而大大提高地基土的承載力。

（3）由于粉噴樁是就地攪拌加固地基，使軟土不向側向擠壓，因此對鄰近已有建筑物影響很小■

（作者單位：江蘇省徐州市水利局221000）